開(kāi)放式激光加工創(chuàng)客平臺(tái)建設(shè)探索

摘"要：為應(yīng)對(duì)新工業(yè)革命帶來(lái)的挑戰(zhàn)，高等工程教育勢(shì)必與時(shí)俱進(jìn)、作出變革，適應(yīng)國(guó)家對(duì)創(chuàng)新型工程人才的培養(yǎng)需求。天津大學(xué)在工程教育實(shí)踐類課程的調(diào)整重構(gòu)階段，為解決傳統(tǒng)激光實(shí)訓(xùn)受客觀條件和固定模式限制的問(wèn)題，將激光實(shí)驗(yàn)室、信息管理系統(tǒng)、虛擬仿真系統(tǒng)作高度集成，構(gòu)建激光加工創(chuàng)客平臺(tái)，面向不同背景、層次的學(xué)生建立開(kāi)放式、自助型、分層級(jí)的項(xiàng)目牽引教學(xué)模式，并匹配全過(guò)程考核評(píng)價(jià)體系，寓思政元素于其中，致力于學(xué)生知識(shí)目標(biāo)、能力目標(biāo)和情感目標(biāo)的全面達(dá)成。關(guān)鍵詞：工程教育；激光加工創(chuàng)客平臺(tái)；實(shí)踐教學(xué)；課程思政0"引言制造業(yè)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的主體，是立國(guó)之本、興國(guó)之器、強(qiáng)國(guó)之基。隨著世界百年未有之大變局加速演進(jìn)，制造業(yè)已逐漸成為左右大國(guó)博弈成敗的核心力量。從全球范圍來(lái)看，目前各國(guó)都在積極布局、蓄力投身新工業(yè)革命的浪潮：西方國(guó)家的“工業(yè)4.0”戰(zhàn)略正在穩(wěn)步實(shí)施，《中國(guó)制造2025》則對(duì)國(guó)內(nèi)制造業(yè)的轉(zhuǎn)型與升級(jí)作出了頂層設(shè)計(jì)，中國(guó)制造開(kāi)始向中國(guó)創(chuàng)造全速邁進(jìn)[1]。在此背景下，我國(guó)高等工程教育重任在肩，亟須識(shí)變、應(yīng)變、求變，緊跟當(dāng)今制造業(yè)前沿，將新興技術(shù)與工藝融入教學(xué)體系，探索應(yīng)用型、創(chuàng)新型工程人才培養(yǎng)的新范式[2]。激光加工技術(shù)是先進(jìn)制造技術(shù)的典型代表，加工時(shí)通過(guò)聚焦使高能量密度精確傳遞到加工位置，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜形狀的高精度加工[3]。相對(duì)傳統(tǒng)制造技術(shù)而言，激光加工被歸類為無(wú)接觸式加工，不存在刀具拆裝與磨損問(wèn)題，不會(huì)產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力，加工速度快且無(wú)噪聲，依靠調(diào)整能量密度與照射時(shí)間，能夠?qū)崿F(xiàn)多種類型加工，同一設(shè)備多工序集成性強(qiáng)，現(xiàn)已成為制造業(yè)自動(dòng)化的主流技術(shù)，將其納入高校工程教育實(shí)踐類課程體系具有很強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義，同時(shí)也是大勢(shì)使然。本文將對(duì)高校傳統(tǒng)激光實(shí)訓(xùn)中存在的問(wèn)題進(jìn)行分析，并就激光加工創(chuàng)客平臺(tái)的建設(shè)方案作詳細(xì)探討。1"常規(guī)式激光實(shí)訓(xùn)中存在的問(wèn)題自新工科建設(shè)提出以來(lái)，國(guó)內(nèi)高校工程實(shí)踐類課程改革如火如荼，各種新型訓(xùn)練內(nèi)容層出不窮。激光加工在實(shí)踐教學(xué)上有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)：設(shè)備種類多且大多容易上手、加工對(duì)象廣且作品展現(xiàn)力豐富、加工過(guò)程快捷且精度高質(zhì)量好。因此被眾多高校所關(guān)注并相繼引入，而在具體教學(xué)活動(dòng)中卻尚未突破客觀辦學(xué)條件的制約和傳統(tǒng)實(shí)訓(xùn)模式的桎梏，總體呈現(xiàn)以下問(wèn)題。1.1"教學(xué)設(shè)備資源不足激光設(shè)備的采購(gòu)種類雖多，但單品種設(shè)備的數(shù)量有限[4]，在規(guī)定的課時(shí)內(nèi)無(wú)法滿足學(xué)生單機(jī)式訓(xùn)練的需求。1.2"過(guò)度強(qiáng)調(diào)技能培訓(xùn)常規(guī)式激光實(shí)訓(xùn)常將重點(diǎn)放在設(shè)備操作能力上[5]，忽視對(duì)學(xué)生工程綜合能力與創(chuàng)新意識(shí)的培養(yǎng)。1.3"實(shí)訓(xùn)內(nèi)容固定單一對(duì)所有學(xué)生都開(kāi)設(shè)相同的訓(xùn)練內(nèi)容[6]，沒(méi)有充分考慮不同層次背景的學(xué)生在知識(shí)掌握程度與專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)上存在的差異。鑒于以上種種，天津大學(xué)機(jī)械工程實(shí)踐教學(xué)中心（以下簡(jiǎn)稱中心）積極探索破局之法，對(duì)原有課程進(jìn)行本地化升級(jí)與改造，基于現(xiàn)實(shí)設(shè)備打造激光加工創(chuàng)客平臺(tái)，讓學(xué)生有效地學(xué)習(xí)工藝知識(shí)、建立工程概念、參與制造過(guò)程、培養(yǎng)工程素質(zhì)。2"基于激光加工打造創(chuàng)客平臺(tái)2.1"開(kāi)放式、自助型訓(xùn)練模式構(gòu)建激光加工設(shè)備種類繁多。目前中心已購(gòu)置非金屬激光雕刻機(jī)2臺(tái)、金屬激光切割機(jī)1臺(tái)、激光打標(biāo)機(jī)3臺(tái)、激光內(nèi)雕機(jī)2臺(tái)和激光焊接機(jī)5臺(tái)，建成較先進(jìn)的高校激光實(shí)驗(yàn)室。為破解傳統(tǒng)實(shí)訓(xùn)受場(chǎng)所、設(shè)備、課時(shí)等條件限制的問(wèn)題，現(xiàn)已將中心教學(xué)管理系統(tǒng)和虛擬仿真系統(tǒng)與實(shí)驗(yàn)室軟硬件集成為激光創(chuàng)客平臺(tái)，構(gòu)建開(kāi)放式、自助型實(shí)踐教學(xué)新模式。實(shí)踐教學(xué)不能脫離理論知識(shí)的指導(dǎo)，依托教學(xué)管理系統(tǒng)，將激光加工涉及的必要專業(yè)知識(shí)以視頻、課件等多樣化教學(xué)資源的形式作模塊呈現(xiàn)并由互聯(lián)網(wǎng)開(kāi)放共享。同時(shí)教學(xué)管理系統(tǒng)還可以線上發(fā)布學(xué)習(xí)任務(wù)與答疑，提供加工時(shí)間、設(shè)備、材料等的預(yù)約服務(wù)，教師在后臺(tái)做好全局性統(tǒng)籌和安排。針對(duì)教學(xué)設(shè)備資源不足的情況，匹配了基于中心真實(shí)設(shè)備開(kāi)發(fā)的虛擬仿真資源，如圖1所示，學(xué)生可以在其中進(jìn)行設(shè)備操作的單機(jī)式仿真練習(xí)，彌補(bǔ)單品類設(shè)備臺(tái)數(shù)不足的缺憾。在全新的教學(xué)模式下，學(xué)生按需利用課余碎片化時(shí)間進(jìn)入跨越時(shí)空限制的線上第二課堂，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行理論知識(shí)的學(xué)習(xí)、設(shè)備操作的訓(xùn)練、設(shè)計(jì)軟件的熟識(shí)、創(chuàng)意作品的設(shè)計(jì)，而線下加工則會(huì)采取預(yù)約制度進(jìn)行設(shè)備開(kāi)放。學(xué)生經(jīng)由線上學(xué)習(xí)掌握基本知識(shí)并通過(guò)考核后方能獲準(zhǔn)進(jìn)入激光實(shí)驗(yàn)室，實(shí)驗(yàn)室中的每臺(tái)設(shè)備都已匹配專屬的二維碼，學(xué)生掃碼即可獲得設(shè)備的結(jié)構(gòu)介紹、加工原理、安全規(guī)程、操作步驟等信息，結(jié)合前期的設(shè)備仿真訓(xùn)練和理論內(nèi)容學(xué)習(xí)，完全能夠以自助形式執(zhí)行作品的加工制作，并具備對(duì)加工過(guò)程中所產(chǎn)生物理現(xiàn)象的基礎(chǔ)分析能力，全面系統(tǒng)地認(rèn)識(shí)激光制造技術(shù)。2.2"差異化、項(xiàng)目制教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)激光加工實(shí)踐教學(xué)受眾面廣泛，學(xué)生的專業(yè)背景和層次區(qū)別較大，若忽略教學(xué)主體的差異，繼續(xù)遵循無(wú)層次性、專注于技能培訓(xùn)的舊軌，則實(shí)現(xiàn)應(yīng)用創(chuàng)新型工程人才的培養(yǎng)目標(biāo)將淪為天方夜譚。中心致力于脫離傳統(tǒng)實(shí)訓(xùn)模式的窠臼，在促成學(xué)生主動(dòng)式學(xué)習(xí)、探究性學(xué)習(xí)和個(gè)性化學(xué)習(xí)上推出諸多舉措，基于CDIO（構(gòu)思Conceive、設(shè)計(jì)Design、實(shí)施Implement、運(yùn)行Operate）工程教育理念[7]，按照學(xué)生學(xué)習(xí)和認(rèn)知的規(guī)律，打造一批由易到難遞進(jìn)式的訓(xùn)練任務(wù)，構(gòu)建激光課程“基礎(chǔ)實(shí)踐、進(jìn)階強(qiáng)化、綜合創(chuàng)新”三層次的項(xiàng)目牽引式課程體系。圖2所示為課程的主體框架。非機(jī)械類專業(yè)低年級(jí)學(xué)生通常對(duì)設(shè)計(jì)和繪圖軟件基礎(chǔ)知識(shí)掌握相對(duì)薄弱，適合向他們開(kāi)放基礎(chǔ)實(shí)踐層次的訓(xùn)練項(xiàng)目，即安排他們進(jìn)行LaserMaker激光建模軟件的基礎(chǔ)功能線上學(xué)習(xí)，線下則應(yīng)用非金屬激光雕刻機(jī)完成剪紙、書(shū)簽等二維作品的加工制作，主要著眼于工藝過(guò)程認(rèn)知和作品設(shè)計(jì)體驗(yàn)。針對(duì)非機(jī)械類專業(yè)高年級(jí)和機(jī)械類專業(yè)低年級(jí)學(xué)生，考慮到他們已具備初步設(shè)計(jì)能力和繪圖基礎(chǔ)，可以實(shí)施進(jìn)階強(qiáng)化項(xiàng)目，學(xué)生以小組形式進(jìn)行前期學(xué)習(xí)與準(zhǔn)備工作，作品任務(wù)為指定項(xiàng)目主題的3D立體拼插作品。設(shè)計(jì)方案涵蓋零件輪廓繪制、榫卯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、作品材料選擇、工藝模式設(shè)置和加工參數(shù)調(diào)試等，全方位鍛煉學(xué)生的創(chuàng)意設(shè)計(jì)水平、立體構(gòu)圖思維、加工精度意識(shí)和實(shí)踐動(dòng)手能力。圖3所示為學(xué)生設(shè)計(jì)的天津大學(xué)東校門(mén)和最終呈現(xiàn)的椴木板拼插作品，應(yīng)用了激光淺雕、描線、切割三種工藝。圖4為進(jìn)行激光雕刻時(shí)調(diào)試加工速度與激光功率的過(guò)程，以期呈現(xiàn)最佳的雕刻效果。針對(duì)機(jī)械類專業(yè)學(xué)生，開(kāi)放創(chuàng)客平臺(tái)全部的資源權(quán)限，鼓勵(lì)他們應(yīng)用多種工藝完成個(gè)性化創(chuàng)意作品的制作。引領(lǐng)學(xué)生面對(duì)綜合復(fù)雜的工程情境，創(chuàng)造性地解決實(shí)際問(wèn)題，全程貫徹“邊做邊學(xué)，在做中學(xué)”“真實(shí)產(chǎn)品，真實(shí)制造”的理念，喚醒學(xué)生的工程師意識(shí)，契合專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)。2.3"全過(guò)程、多元性考核機(jī)制落實(shí)完善的實(shí)踐課程體系必須以科學(xué)的評(píng)價(jià)方案作為支撐，考核評(píng)價(jià)方案合理與否直接決定了項(xiàng)目實(shí)施的效果，同時(shí)會(huì)影響后續(xù)學(xué)生選課的積極性?；诩す鈩?chuàng)客平臺(tái)開(kāi)放的所有項(xiàng)目都采取形成性全過(guò)程的評(píng)價(jià)方式[8]，由“學(xué)生自評(píng)所得、組內(nèi)互評(píng)表現(xiàn)、教師點(diǎn)評(píng)過(guò)程”構(gòu)成三角式循環(huán)，分別占比10%、40%、50%，如表1所示?？己嗽u(píng)分表中所列各單項(xiàng)評(píng)分的滿分為20分，近乎覆蓋整個(gè)實(shí)訓(xùn)過(guò)程：線上學(xué)習(xí)的作業(yè)反饋、創(chuàng)意作品的圖紙和工藝方案、設(shè)備的規(guī)范操作能力、作品的完成情況（兼顧創(chuàng)新性和復(fù)雜程度）、項(xiàng)目報(bào)告對(duì)整體執(zhí)行情況的記錄與總結(jié)。最大限度地體現(xiàn)考核結(jié)果的科學(xué)性與公正性，完整呈現(xiàn)對(duì)學(xué)生工程實(shí)踐能力與創(chuàng)新能力的培養(yǎng)情況，有助于創(chuàng)客平臺(tái)項(xiàng)目的持續(xù)建設(shè)與優(yōu)化。3"思政元素融入創(chuàng)客教育工程教育改革和課程思政建設(shè)是時(shí)代賦予高等工科教育的主題與使命，參考現(xiàn)代教育理論中KAPO模型的教學(xué)改革三維度目標(biāo)[9]，除知識(shí)與技能（Knowledgeamp;Skills）、過(guò)程與方法（Processamp;Steps）之外，情感態(tài)度與價(jià)值觀（EmotionalAttitudeamp;Values）的培養(yǎng)也極為重要。在做激光加工創(chuàng)客平臺(tái)的項(xiàng)目設(shè)計(jì)時(shí)，充分挖掘其中所蘊(yùn)含的思政元素，例如：《墨經(jīng)》光學(xué)八條的論述奠定幾何光學(xué)的基礎(chǔ)；我國(guó)激光技術(shù)從追趕西方到后來(lái)居上的歷程；錢(qián)學(xué)森先生在翻譯激光術(shù)語(yǔ)時(shí)強(qiáng)調(diào)融入中國(guó)味道，等等。同時(shí)，在學(xué)生進(jìn)行激光加工的空隙，結(jié)合激光紙張切割、木板深雕和作品組件裝配等具體階段開(kāi)展豐富的主題教育：民間剪紙藝術(shù)蘊(yùn)含勞動(dòng)人民對(duì)美好生活的向往、中國(guó)雕版印刷技藝作為印刷史上的“活化石”而入選人類非物質(zhì)文化遺產(chǎn)代表作名錄、榫卯技術(shù)在方寸之間展現(xiàn)了力與美的結(jié)合等等，形成了豐富的作品案例庫(kù)。實(shí)踐類課程以其親歷性、體驗(yàn)性的特點(diǎn)，自然成為開(kāi)展思政教育的良好載體，而思政元素的引入也使實(shí)踐教學(xué)更具育人價(jià)值。二者能夠在激光加工創(chuàng)客平臺(tái)上產(chǎn)生同頻共振，并會(huì)繼續(xù)同向同行。4"結(jié)束語(yǔ)激光加工創(chuàng)客平臺(tái)是動(dòng)態(tài)建設(shè)與逐步完善的，從最初的認(rèn)知訓(xùn)練慢慢拓展為現(xiàn)在的激光造物，其間